桁架式空心风扇叶片结构参数化设计平台开发

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机械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture第 1O期2013年 l0月桁架式空心风扇叶片结构参数化设计平台开发关惠松，黄致建，郝艳华，吴福仙(华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 361021)摘 要：针对桁架式内腔空心风扇叶片，运用UG二次开发工具UG／Open API，NX Open C++及 C++编程语言混合开发方法，在UG环境中，建立空心叶片参数化三维模型和参数化有限元模型，在叶片有限元网格形式不变的前提下，快速生成叶片有限元模型，有效解决优化过程中网格自动更新问题。在此基础上，自动施加边界条件和载荷，从而实现集造型、分网、分析为一体的自动化设计。实例表明，宽弦空心风扇叶片参数化设计平台不仅可以快速完成空心叶片参数化设计及强度分析，也可为后续开展叶片结构优化奠定基础。

关键词：UG二次开发；空心叶片；参数化设计 ；平台开发；强度分析中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0066—03The Parametric Design PlatfOrm Development for HolowFan Blade of G irder I nternaI Structu reWU Hui-song，HUANG Zhi-jian，HAO Yan-hua，WU Fu—xian(Colege of Mechanical＆Automation，Huaqiao University，Fujian Xiamen 361021，China)Abstract：Aiming the holow fan blade’S internal structure of girder type．the holow fan blade’S parcanetric three—dimensional model and parametric finite element model are established in UG through combining UG secondary developme nttools，such珊，UG／Open API，NX Open C++and C++programming language．And without changing thefinite eleme nt grid，itallows t e rapid generation ofthefan blade’S model and efficient solutions to￡k grid’s automatic upgradingproblems duringthe process ofoptimizing．Moreover，boundary condition and load were forced automatically，SO珊to achieve the collection ofmodeling，meshing，and analysis for the integration of the automation design．Examples show that，the parametric designplatform ofholowfan blade Can not only done quickly structure design and stress analysis ofhollow blade，but also lay a solidfoundationfor thefollow-up blade structural optimization.

Key W ords：UG Secondary Development；The Holow Fan Blade；Parametric Design；Platform Development；StressAnalysis1引言桁架式内腔空心风扇叶片主要用于宽弦风扇空心叶片设计，空心风扇叶片具有增加压气机喘振裕度 、抗外物损伤、提高发动机推力 、减少叶片数和减轻重量等优点。空心叶片结构设计的关键是内腔的结构形式以及内部加强芯板的布局，它们对于空心叶片的结构性能具有重要的影响 。文献口时空心叶片模型型腔和加强筋结构设计参数进行了分析 ，采用 ANSYS有限元软件对空心风扇转子叶片模型进行了建模及应力分析。分析结果表明，加强筋数量增加，或加强筋与蒙皮厚度比增大，对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。文献 于 ANSYS软件针对三角形桁架式空心内腔叶片结构进行参数化有限元模型建模，通过调整各个截面节点位置生成六面体单元，并采用多轮正交试验设计方法对叶片进行了结构优化设计分析。文献[51基于ABAQUS软件针对实心转子叶片采用网格变形技术将四边形网格映射生成六面体网格的方法进行有限元参数化建模，有效保证优化迭代过程中网格拓扑形式不变，同时适用于任何轴向叶片的快速有限元建模。文献f6l基于ANSYS软件研究加强筋夹角、数量、形状，蒙皮与加强筋连接区域对空心叶片受力的影响，采用同一种网格进行有限元建模，分析结果表明不同的结构设计参数对空心风扇叶片的应力有很大的影响。

上述文献多数以ANSYS软件作为分析研究平台，但 ANSYS软件不具备成熟的放样功能限制 了其在曲面功能上的广泛应用。因此基于UG软件，对空心叶片进行参数化建模以及参数化有限元建模，实现造型 、分析 自动化I ，对叶片结构优化设计十分必要。

2空心风扇叶片参数化建模空心风扇叶片参数化建模主要是利用 UG／Open API二次开发工具 实现。

肋板建模过程相对比较复杂，其建模过程，如图 2所示。

来稿日期：2012—12—06作者简介：吴惠松，(1986一)，男，福建漳州人，硕士研究生，主要研究方向：计算机辅助设计与工程；黄致建，(1956一)，男，福建泉州人，硕士，研究员，主要研究方向：结构优化设计研究第10期 吴惠松等：桁架式空心风扇叶片结构参数化设计平台开发 67(1)生成各截面中弧线：基于张力宁提出的等距线的中弧线求法【 UG环境中创建中弧线㈣。

图 1肋板建模流程图Fig．1 The Modeling Flow Chart of Rib(2)生成各个截面的肋板中心线辅助内腔线：根据蒙皮厚度和肋板厚度 ，将叶背截面线或叶盆截面线向内偏置蒙皮厚度和肋板厚度总和的一半，产生偏置线 1；求出偏置线 1与中弧线的交点 ，A ；将偏置线 1再向内偏置 ．距离(距离自定)，产生偏置线 2；求偏置线 2与中弧线的交点 曰．，B：；以点 曰 ，曰：为圆心，半径为 作两个圆，与偏置线 1相交于点 C．，C2。将中弧线以点A ，A分成三段曲线，查询点 。，A 在中弧线上的曲线参数 尸】， ，偏置线 1以点 C。，C2分成三段曲线；用B样条曲线连接中弧线前缘段(0 。段)，A。C。段 ，C。C 段 ，Cr4 段 ，中弧线后缘段(P2一l段)，创建一条光滑的曲线即肋板中心线辅助内腔线，如图4所示。

(3)生成肋板中心线：①求出点A。，A：在中弧线和肋板中心辅助内腔线上的位置参数，在中弧线上 段、A 段分别查询并提取 100个等距间隔数据点的属性特征并保存。

图 2肋板中心辅助内腔线Fig．2 Rib Centerline’s Auxiliary Lumen Line②根据半波个数 ／7,将肋板中心辅助内腔线上的 段分成 段，并根据接触参数计算出n段曲线中，每个接触段在肋板中心辅助内腔线上的起始和结束位置参数。

③对每个接触段相应的肋板中心辅助内腔线上查询 100个等距间隔数据点的属性特征。

④判断肋板中心线首个半波法向是指向叶背截面线或叶盆截面线，若半波法向指向叶背截面线，则首个半波的接触段起始在叶背截面线侧 ，反之首个半波的接触段在叶盆截面线侧 ，肋板中心线的方向由前缘指向后缘。

⑤组集查询得到的数据点，其顺序是 ，段数据点，叶盆、叶背侧肋板中心线辅助内腔线数据点， 段数据点。用 B样条曲线方法连接这些数据点得到肋板中心线，如图 3所示。

图3肋板中心线Fig．3 The Rib Centerline(4)肋板中心线分段：查询每个接触段的开始和结束位置在肋板中心线上的位置参数，并保存起来。将位置参数从小到大进行排序，将肋板中心线按位置参数为断点进行分段。以肋板中心线为母线，在相邻位置参数之间提取足够多的数据点属性特征，重新创建位置参数之间的曲线。

(5)生成肋板环线：将肋板中心线的分段曲线分别向叶背截面线和叶盆截面线两侧偏置一半的肋板厚度；查询肋板中心线偏置线在叶盆截面线侧的靠近前缘端点 Jpl，和靠近后缘端点 P2，在叶背截面线侧的靠近前缘端点 ，和靠近后缘端点 。以Pl为起点，P3为终点生成直线 linel；以只为起点，P2为终点生成直线line2。查询肋板中心线偏置线每个波峰段中参数为0和 1的起点和终点坐标，将相邻的两个波峰段中起点和终点用直线段连接起来，生成的截面肋板环线，如图4所示。

＼ ／ 叶盆截面线图4截面肋板环线中段处放大图Fig．4 The Enlarged View of Section Rib Loop Line in Middle Place(6)生成肋板实体：将每个截面的曲线组集起来并放人数组中，存放顺序如下：叶背截面线侧的肋板中心线分段曲线偏置线—直线段 (两者交替进行存放)—1ine2一叶盆截面线侧的肋板中心线分段曲线偏置线一直线段(两者交替进行存放)—line1。指定每个曲线段的方向。应用 UG曲线组功能通过每个截面的曲线组生成未修剪肋板实体。通过两个修剪平面修剪成最终肋板实体。

内腔和榫头等部分的参数化建模和以上类似，篇幅有限，就68 机械 设 计 与 制造NO．10( t．201 3不一一赘述，其中内腔／肋板实体建模对话揪，如 5所示。其设计参数主要有：叶尖／Pt-根蒙皮厚度，叶尖／叶根肋板厚度，半波起始边标志，肋板与蒙皮接触参数，肋板半波个数．、图5直线形桁架内腔实体建模对话把Fig．5 The Mt~teling Dialog of RP tilinealT131ss Lumen Rntity3空心风扇叶片参数化有限元建模窄心风扇叶片参数化有限元建模主要是利川 UG／Open API和NX Open C++两种语言混合开发实现。叶片分割成多个体是便于划分成规则网格，冈此需要将各个分割而之 按粘连重合类型进行网格配对 ，即先把各个 cAEBody中的所有 查找m来，采用网格自动配对方法实现所有分割面之间的网格~dx,l。

空心叶片网格划分分为两种网格：一个是 2O节点的六面体单元，一个是 10节点的四而体单元和金字塔单元。

先查找出各个 cAEBody rf】所有面和所有边，以便利用边长判断需要设置的网格数，利用面积大小和而 I 的辅助点判断哪个面是 2D映射而。

由于篇幅限制，仅介绍叶盆 、叶背蒙皮的网格划分，其他体同理进行网格划分。 叶盆、叶背蒙皮网格划分先按边长(依次分为长边、中长边、中短边 、短边 )设置每条边的网格数，长边网格数为30个，短边网格数为 1个，中短边根据肋板半波个数设置网格数(如6个)，中长边网格数为几个巾短边网格个数和几个短边网格个数的总和。在短边 【 凌收参数为 0和 1的点 ，在巾短边上参数为 0和 1之『H】按巾短边 l 的网格数凑取各个点，然后这些点投影到中长边上，通过坐标加以判断哪些投影点符合要求 ，并将投影得到的点设置成网格点(网格划分时节点创建在这些位置)。求出蒙皮每个面的面积并进行排序，并利用而 I 的点的坐标，选出源而和目标面．源面进行 2D映射网格划分，源面通过 3D扫掠网格到月标面，完成蒙皮六面体网格划分，如J孳I 6所示。空心叶片参数化有限元建模对话框，如图7所示。

罔6蒙皮网格划分Fig．6 The Meshing of Skin图7 线形桁架内脏钉限 建模对话框Fig．7 The Finite Element ModelingDialog of Rec!ilineat Truss Lumen El~tity4边界条件及载荷施加实现随着加强筋个数及蒙皮厚度尺寸等改变后，边界条件和载荷依然能够施加在正确的位 I ，达剑自动更新的目的。

5应用实例为r验证该设计平台的呵行性和有效性，现通过一个实例来完成验证。首先选择空心l} 片菜单进入宽珐空心风扇叶片结构参数化设计平台，该平台可以州川多绒对话框。先进行参数化建模，按空心风扇叶片设计丰¨父的数据依次外叶身，榫头，内腔 ，肋板等部分进行数据输入，接着进行空一l=．、风扇叶片参数化有限元建模，边界约柬和载荷施加，最后求解分析。

网 8半波个数为 l0的i’l：线桁架内腔叶片等效应力云图Fig．8 The Equivalent ress Distribution of RrectilinearTruss 1 umen Blade When Half Wave Number is 10图 9半波个数为 12的直线桁架内腔叶片等效应力云图Fig．9 rhe Equivalent Stress Distrihution of RectilinearTrUSS Lumen Blatte when Wave Number is l2设汁主嘤考虑离心载筒和气动载荷的作用，采用线性分析 ，叶片材料为 Ti一6AI一4V，屈服强度为 805MPa，密度为 4．43xlOSkg／m ，叶片转速为 4000r／min，弹性模量 E=l21xl03MPa，泊松 比 =¨0．34，选择半波个数为 l0和 12的直线形桁架内腔空心风扇叶片进行分析，分析结果，如图8、『皋1 9所示。结果表明，叶片最大等效应力}{I现在1t盆蒙皮处，半波个数越大，等效应力和位移均减小 ，质量相应增大。 (下转第 72页)72 机械设计与制造No．10Oct．2013荷处以及其两侧一共七个节点所对应的中性层位置的变化情况，但是二者的结果存在一定的偏差，通过计算可知，在所分析的节点区域中，95％的节点所对应的区域处，应力中性层偏移的两种结果偏差小于 15％，所以这两种结果的对比分析是可取的。

4结论(1)以大型有限元分析试验基础 ，建立有限元矫直单元模型，取矫直过程中某一时刻进行分析计算。分别通过理论推导和有限元分析论证了矫直过程中钢板弯曲变形时应力中性层偏移的情况，确定了在不同矫直力的情况下应力中性层具体偏移量的大小。所以和传统矫直模型相比，考虑到应力中性层发生偏移这一 现实情况，会在一定程度上改善钢板矫直效果。

(2)受载荷钢板弯曲时，应力中性层向受载荷侧发生偏移，而且偏移量会随着载荷的增大而增大。

(3)钢板在某一载荷状态下，钢板弯曲曲率越大的地方 ，应力中性层的偏移量越大。

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(ZhangChun-li，YangXiao-zhen，HeJia，ZhaoZhi-yi．Hot roiled steelplate straightening technology finite element analysis [J]．Joumal ofBaosteelTechnology，2008(1)：38-41．)(上接第68页)6结束语桁架式内腔空心风扇叶片参数化设计是航空发动机的关键技术之一。创新之处在于针对空心叶片不同结构设计参数进行参数化建模及有限元建模 ，实现了有限元网格同步更新，并自动施加边界条件及载荷，实现完全程序控制的造型、分析自动化，极大地缩短设计周期，为空心叶片结构优化设计提供了必要的前提条件。并在基础上开发了宽弦空心风扇叶片结构参数化设计平台，应用该平台不仅可以快速完成空心叶片参数化设计及强度分析，也可为后续开展叶片结构优化奠定基础。

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